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【导语】2025年1月20日，中国科学家在安徽合肥科学岛上取得了重大突破，首次将上亿度的等离子体火焰在磁场中禁锢长达1066秒，这一壮举标志着人类距离点亮“人造太阳”的梦想从未如此接近。核聚变，这一太阳普照大地50亿年的能量来源，其威力巨大，1克物质释放的能量相当于8吨油燃烧。然而，在地球上复制太阳绝非易事，需要克服极端高温高压等重重(zhòng)困(kùn)难(nán)。中(zhōng)国(guó)的(de)EAST装置，作为世界上最先进的核聚变实验装置之一，采用全超导、非圆截面和主动冷却等技术，成功实现了这一历史性的(de)突(tū)破(pò)。这(zhè)一(yī)成(chéng)就(jiù)不仅是科学上的胜利，更是人类迈向聚变能源时代的重要一步。

2025年1月20日，安徽合肥科学岛上，中国科学家首次将上亿度的等离子体火焰禁锢在磁场牢笼中整整1066秒，人类距离点亮“人造太阳”的梦想从未如此接近。

如果告诉你，1克物质可以产生相当8吨油燃烧的能量，你会相信吗？这就是核聚变的真实威力。太阳普照大地50亿年，其能量来源于核心处一刻不停的核聚变反应。当两个氢原子核在极端高温高压下聚合形成氦原子时，部分质量会转化为巨大能量。1克氢聚变释放的能量相当于燃烧8吨油，而海水中每升含有30毫克可作聚变燃料的氘，完全释放的能量相当于340升油之多。

然而在地球上复制太阳绝非易事，我们先来了解一下太阳是如何完成核聚变的。在太阳核心，温度高达1500万摄氏度，压力达到地球大气压的3000亿倍。在这种极端环境下，氢原子失去了外层电子，变成带正电的原子核。尽管同性相斥的电磁力试图将它们推开，但巨大的压力和温度赋予了原子核足够的动能，使它们能够克服这道电磁屏障，最终释放出惊人的能量。

但地球上没有太阳那样的引力条件，即便我们挖到地心，也无法产生足以引发核聚变的压力。更何况，地球内部温度最高也只有6000摄氏度左右，远远达不到聚变所需的条件。由于温度和压力在聚变反应中可以相(xiāng)互(hù)补(bǔ)偿(cháng)，要(yào)想(xiǎng)在(zài)地(de)球(qiú)上(shàng)实(shí)现(xiàn)聚(jù)变(biàn)，我(wǒ)们(men)需(xū)要(yào)超(chāo)过(guò)1亿(yì)摄(shè)氏(shì)度(dù)的(de)温(wēn)度(dù)。温(wēn)度(dù)越(yuè)高(gāo)，原(yuán)子(zi)核(hé)的(de)运(yùn)动(dòng)速(sù)度(dù)越(yuè)快(kuài)，相(xiāng)互(hù)碰(pèng)撞(zhuàng)的(de)能(néng)量(liàng)就(jiù)越(yuè)大(dà)，克(kè)服(fú)电(diàn)磁(cí)斥(chì)力的概率也就越高。

当温度升高到几千度时，原子中的电子会获得足够的能量，挣脱原子核的束缚，自由游离。这时物质进入了第四态，也就是等离子体态。它不同于我们熟悉的固体、液体和气体，而是由带正电的离子和带负电的电子组成的电离气体。闪电、霓虹灯、太阳风，这些都是等离子体的表现形式。在1亿度的极端高温下，所有物质都会变成等离子体。

这样的高温等离子体足以瞬间汽化任何已知材料。即使是熔点最高的钨（3422摄氏度）或碳化钽（4000摄氏度）。世界上没有任何容器能够承受如此高温。

于是科学家们利用了磁场。

这要从等离子体的一个特性说起：它是由带电粒子组成的，而带电粒子在磁场中会受到洛伦兹力的作用。就像指南针会被磁铁吸引一样，等离子体中的离子和电子会沿着磁力线做螺旋运动，被捆绑在磁力线上(shàng)。如(rú)果(guǒ)能(néng)够(gòu)设(shè)计(jì)磁(cí)场(chǎng)的(de)形(xíng)状(zhuàng)，就(jiù)可(kě)以(yǐ)把(bǎ)等(děng)离(lí)子(zi)体(tǐ)约(yuē)束(shù)在(zài)特(tè)定(dìng)的(de)空(kōng)间(jiān)内(nèi)。

托(tuō)卡(kǎ)马(mǎ)克(kè)，这个来自俄语"带磁线圈的环形腔"的名字，正是这种磁约束装置的代表。它的基本结构像一个巨大的甜甜圈，但内部的磁场设计却极其复杂。

首先是纵场线圈，它们像项链一样环绕在甜甜圈外面，产生沿着环形方向的磁场。但仅有纵向磁场还不够，因为带电粒子会沿着磁力线漂移到器壁上。于是科学家又在环形器中心穿过一个变压器，在等离子体中感应出环向电流。这个电流会产生极向磁场，与纵向磁场叠加形成螺旋形磁力线。

为了让等离子体稳定悬浮在真空室中央，托卡马克还需要(yào)极(jí)向(xiàng)场(chǎng)线(xiàn)圈(quān)来(lái)调(diào)节(jié)磁(cí)场(chǎng)形(xíng)状(zhuàng)，需(xū)要(yào)反(fǎn)馈(kuì)控(kòng)制(zhì)系(xì)统(tǒng)来(lái)实(shí)时(shí)监(jiān)测(cè)和(hé)调(diào)整(zhěng)等(děng)离(lí)子(zi)体(tǐ)位(wèi)置(zhì)，需(xū)要(yào)真(zhēn)空(kōng)系(xì)统(tǒng)来(lái)防(fáng)止(zhǐ)杂(zá)质(zhì)污(wū)染(rǎn)，需(xū)要(yào)加(jiā)热(rè)系(xì)统来维持高温。

中国的EAST装置正是这样一个磁瓶子，但它有三个独特之处：全超导、非圆截面和主动冷却内部结构。全超导意味着磁场可以长时间稳定运行；非圆截面让等离子体更加稳定；主动冷却则确保装置不会过热。这三大技术的结合，使EAST成为世界上最先进的核聚变实验装置之一。

传统托卡马克使用的是常规铜线圈，就像家里的电线一样，通电时会发热。要产生强大的磁场，需要巨大的电流，这意味着惊人的能量消耗。而且铜线圈发热后电阻会增大，磁场强度受限，只能间歇运行，通常工作几十秒就必须停下来冷却。

EAST采用了全超导技术。超导材料在极低温度下（约-269摄氏度）电阻会完全消失，电流可以在其中永久流动而不产生任何损耗。EAST的超导线圈由铌钛合金制成，被液氦冷却到接近绝对零度。一旦励磁，磁场可以稳定维持(chí)数(shù)小(xiǎo)时(shí)、数(shù)天(tiān)甚至更长时间，为实现稳态运行奠定了基础。

如果切开一个传统托卡马克的横截面，会看到等离子体呈圆形。但EAST采用了D形截面设计，看起来(lái)像(xiàng)一(yī)个(gè)竖(shù)立(lì)的(de)字(zì)母(mǔ)D。D形(xíng)截(jié)面(miàn)可(kě)以(yǐ)显(xiǎn)著(zhe)提(tí)高(gāo)等(děng)离(lí)子(zi)体(tǐ)的(de)稳(wěn)定(dìng)性(xìng)。在(zài)圆(yuán)形(xíng)截(jié)面(miàn)中(zhōng)，等(děng)离(lí)子(zi)体(tǐ)容(róng)易(yì)发(fā)生(shēng)各(gè)种(zhǒng)不(bù)稳(wěn)定(dìng)性(xìng)，像(xiàng)圆(yuán)形(xíng)的(de)肥皂泡容易变形破裂。而D形截面通过改变磁场位形，增强了对等离子体的约束能力。更重要的是，这种设计可以在相同的装置尺寸下，容纳更多的等离子体，提高聚变功率密度，这对未来的商业聚变堆至关重要。

还要注意的是即使等离子体被磁场完美约束，仍会有部分能量以辐射和粒子的形式逃逸出来(lái)，轰(hōng)击(jī)器(qì)壁(bì)。在(zài)EAST的1066秒运行中，面向等离子体的第一壁要承受极高的热负荷。EAST采用了先进的主动水冷系统，第一壁由特殊的钨铜复合材料制成，内部布满了细密的冷却水管。冷却水以每秒数米的速度流过，带走热量。

在核聚变研究的历史上，1982年(nián)是(shì)一(yī)个(gè)转(zhuǎn)折(zhé)点(diǎn)。德(dé)国(guó)ASDEX装(zhuāng)置(zhì)的(de)科(kē)学(xué)家(jiā)们(men)在(zài)一(yī)次(cì)实(shí)验(yàn)中(zhōng)意(yì)外(wài)发(fā)现(xiàn)，等(děng)离(lí)子(zi)体(tǐ)突(tū)然(rán)从(cóng)低(dī)约(yuē)束(shù)模(mó)式(shì)（L-mode）跃(yuè)迁(qiān)到(dào)了(le)高(gāo)约(yuē)束(shù)模(mó)式(shì)（H-mode）。等离子体的能量约束时间一下子提升了近2倍。如果L模是普通(tōng)的(de)保(bǎo)温(wēn)杯(bēi)，那(nà)么(me)H模(mó)就(jiù)是(shì)超(chāo)级(jí)真(zhēn)空(kōng)保(bǎo)温(wēn)瓶(píng)。在(zài)H模(mó)状(zhuàng)态(tài)下(xià)，等(děng)离(lí)子(zi)体(tǐ)边(biān)缘(yuán)会(huì)自(zì)发(fā)形(xíng)成(chéng)一(yī)道(dào)输(shū)运(yùn)垒(lěi)，像(xiàng)给(gěi)高(gāo)温(wēn)等(děng)离(lí)子体穿上了一件隔热服，大大减少了能量损失。这个发现彻底改变了托卡马克的设计路线，成为现代所有大型装置追求的标准运行模式。

如果说EAST是一个奇迹，那最神奇的莫过于它内部的冰火两重天。在这个直径8米的钢铁机器内部，1亿摄氏度的等离子体火球与零下269摄氏度的超导线圈仅仅相距1.2米，这种极端温差如何和平共处？这需要一套精妙的隔热系统。液氦冷却的铜制热屏像一道道盾牌，层层阻隔热辐射；真空绝缘层如同隔热毯，冷却管路系统每秒带走兆瓦级的热量。

整个EAST装置包含近百万个零部件，每一个都必须精确配合，本身就是人类工程技术的巅峰之作。

要点燃核聚变之火，仅靠磁场约束还不够，还需要把等离子体加热到足够高的温度。EAST采用了两种互补的加热技术。第一把剑是离子回旋共振加热（ICRF）。这项技术利用了物理学中的共振原理，当电磁波的频率与离子在磁场中回旋的频率一致时，离子就会不断吸收能量，温度急剧上升。EAST的离子回旋加热系统可以产生数兆瓦的功率，将能量精准注入等离子体核心，就像用微波炉定点加热食物的中心。

第二把剑是低杂波电流驱动（LHCD）。这不仅是加热手段，更是维持等离子体稳定的关键。低杂波可以在等离子体中驱动出环向电流，让等离子体保持旋转，防止危险的磁面撕裂不稳定性。这就像陀螺旋转时更加稳定一样，旋转的等离子体也更容易维持平衡。

两种加热方式相辅相成：离子回旋波负责核心加热，提供高温；低杂波维持电流分布，保证稳定。在1066秒的实验中，正是这种双剑合璧的策略，让等离子体既达到了聚变所需的高温，又保持了长时间的稳定运行。

1066秒，不仅仅是一个数字，它是人类迈向聚变能源时代的坚实脚印。

站在2025年的今天回望，从1950年代苏联科学家提出托卡马克概念，到中国EAST实现千秒突破，人类用了70多年时间。EAST装置自2006年建成运行以来，等离子体运行次数超过15万次，这条路走得很长，但每一步都在加速。

参考文献

[1] 李建刚. 可控核聚变研究现状及未来展望[J]. 物理前沿, 2025, 37(1): 50-57.

[2] 中国科学院等离子体物理研究所. 全超导托卡马克核聚变实验装置[EB/OL]. (2008-10-09)[2025-01-20].

[3] 新华社. 燃！中国"人造太阳"创造"亿度千秒"世界纪录[N]. 新华每日电讯, 2025-01-21(01).

[4] 张素贞. "东方超环"核聚变实验装置[J]. 中国当代科技重大工程, 2024: 40-43.

本文为·创作培育计划扶持作品

出品丨中国科协科普部

监制丨中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

作者丨蔡文垂 中国科学院大学博士研究生

审核丨梁忠伟 广州大学机电学院 副院长

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